Processo de design de incorporação – Parte 1-3

Em relação ao exemplo da ligação cubo-eixo, poderá ser necessário alterar a lista de requisitos já proposta. Isso é normal, pois é importante que, durante o processo, a equipe entenda se a ideia inicial é viável ou não. De acordo com o fluxo de projeto da modalidade, é possível propor uma relação entre funções e portadores de funções, como pode ser visto na Figura da Capa.

FIGURE 1 – G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

É possível notar a descrição funcional da variante e o layout geral na Figura 1. A primeira escolha de um projetista é quais são os portadores de função que podem ser utilizados para realizar as funções. Existem dois ideais extremos, mas é possível ficar no meio deles.

Uma função, uma operadora (OFOC)

O primeiro é uma função, uma operadora (OFOC). A vantagem desta abordagem é reduzir a complexidade da solução e otimizar a portadora da função em relação à função. Normalmente, a forma, o formato e a geometria da portadora de função são mais simples que estas se o enfoque for muitas funções uma portadora (MFOC). A desvantagem do OFOC é que o excesso de peso não é otimizado. A razão é que a consequência natural desta abordagem é o grande número de componentes. Um ponto interessante por trás dessa abordagem é que a complexidade da peça é alta, pois há um grande número de componentes que devem ser montados. Conseqüentemente, cada componente tem forma mais simples, mas muito bem otimizado em função, portanto, reunir cada um desses componentes não é uma tarefa simples. Além disso, o risco de falha pode ser reduzido a 2 ou 3 parâmetros da avaliação de risco. Esses parâmetros são probabilidade, impacto e detectabilidade. Dão a possibilidade de ter um número de risco relacionado à solução. Conseqüentemente, a abordagem OFOC pode aumentar a detectabilidade, pois é muito fácil entender onde está a falha. No caso de impacto de falha, esta abordagem pode ser reduzida, mas a probabilidade aumenta, uma vez que há um grande número de componentes. Conseqüentemente, a compensação para esta abordagem é normalmente uma grande possibilidade de fracasso. Em termos de custo, a abordagem OFOC diminui o custo de produção de cada componente. Porém, o custo de montagem aumenta e, talvez, o custo de segurança também aumente.

Muitas funções, uma operadora (MFOC)

No caso oposto, muitas funções de uma abordagem de portadora têm um impacto direto na complexidade geométrica do componente. Portanto, o compromisso neste caso é entre a otimização da função única. No entanto, o número total de peças é reduzido. Na verdade, nesta abordagem, a otimização está no componente, e não na função. Conseqüentemente, o excesso de peso da solução é reduzido, o custo de fabricação aumenta, mas a montagem é reduzida. Além disso, com um número reduzido de componentes, a probabilidade de falha é reduzida, mas o impacto desta falha pode ser aumentado e a sua detectabilidade é menor. A aplicação dessas abordagens é facilmente percebida na área automotiva. Pelo menos no início do processo de design, o design do carro de corrida segue a abordagem MFOC, enquanto o design do carro de alto desempenho pode preferir o OFOC. Neste caso, a simplificação de cada componente é muito importante.

Desenvolva layout preliminar e designs de formulário

FIGURE 2 – G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

Esta é a etapa em que é definida a reutilização de qualquer solução existente e a abordagem típica de fazer ou comprar para o design. Como o layout geral já está definido, mais dois detalhes deverão ser estabelecidos. Estes são os subsistemas que têm uma prioridade muito alta em relação a outros ou aos subsistemas que representam o núcleo da solução. Isto é muito importante, pois é possível manter internamente o conhecimento sobre os subsistemas principais, enquanto os demais são atribuídos a um fornecedor externo terceirizado. Por outro lado, quando o componente é muito importante para a empresa, ele é fabricado e dimensionado internamente. Nessa abordagem, o conhecimento sobre o sistema é detido pela empresa. São decisões tomadas de acordo com o grau de novidade do componente. Em geral, uma boa regra prática de design é ter 20% de peças “fabricadas” e 80% de peças “compradas”. Isto se baseia na lei de Pareto, que afirma que 20% das causas realizam 80% dos efeitos. Assim, se for possível identificar 20% das subfunções mais importantes para as soluções, obtém-se 80% destas. Portanto, antes de iniciar o projeto, é muito importante definir as partes mais importantes, as prioridades que devem ser atribuídas. A quantidade de peças “feitas” e “compradas” tem impacto no custo geral do sistema. Normalmente, quanto maior for a quantidade de peças fabricadas, maior será o custo global do sistema e maior será o grau de inovação do mesmo. A quantidade de peças compradas reduz o custo geral, mas também o grau de novidade.

Exemplo: conexão cubo-eixo

FIGURE 3 – G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

No caso da conexão cubo-eixo, os principais portadores de função determinantes da concretização são exatamente a conexão e o came. Portanto, esses dois são a prioridade no design.

FIGURE 4 – G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

O próximo passo é dimensionar a peça, conforme visto na Figura 4. Depois disso é possível produzir um layout geral para cada variante funcional previamente definida (Figura 5).

FIGURE 5 – G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

Com a lista de funções e algumas variantes é possível juntar tudo para obter um layout de engenharia.

Selecione layouts preliminares adequados

FIGURE 6 – G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

Ao final da etapa 4, pode-se aplicar novamente a análise custo-benefício ou a diretriz VDI de acordo com a complexidade da solução e o detalhamento. As diretrizes de custo-benefício e VDI são comparadas para decidir qual delas usar (Figura 6). Na verdade, estas são as únicas técnicas que podem ser utilizadas para avaliar uma solução técnica.

FIGURE 7 – G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

Esta é apenas uma proposta de técnicas básicas. Existem muitas técnicas diferentes, algumas delas específicas de algumas empresas. No final, o objetivo é o mesmo, identificar claramente os critérios de avaliação e os parâmetros utilizados para medir os critérios. Portanto, é importante definir claramente como atribuir um valor a uma medida, portanto deve-se definir como compor as diferentes avaliações para que se tenha apenas um valor global ponderado para a parte.

Desenvolvimento de projetos preliminares e de conformação

FIGURE 8 – G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

O próximo passo é basicamente o estudo de viabilidade considerando a solução básica do produto. Isso é realizado no layout preliminar, conforme visto na Figura 8.

Procure soluções para funções auxiliares

FIGURE 9 – G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

Esta etapa é uma espécie de segunda parte de um estudo de viabilidade, mas esta é para estudar as funções auxiliares essenciais relacionadas às funções principais. Normalmente, a primeira parte do estudo de viabilidade trata das funções principais. Ou seja, 20% de todas as funções. A segunda parte funciona com as demais, que são todas as funções auxiliares. Por exemplo, um sistema de refrigeração não é uma função principal, mas um motor não poderia funcionar bem com um sistema de refrigeração adequado e otimizado. Portanto, funções auxiliares e principais não podem ser tratadas como funções não importantes e importantes, respectivamente. Na verdade, são níveis diferentes de avaliação.

Detalhando o portador de função principal em relação aos portadores de função auxiliar

FIGURE 10 – G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

Considerar as operadoras e reuni-las em uma solução única requer alguma atenção. Por exemplo, se for possível utilizar componentes padrão, estes devem ser considerados. Geralmente possuem regulamentos ou padrões como ISO ou ISM para a avaliação da solução. No início, é útil começar com cálculos detalhados e, se possível, a aplicação do planejamento de experimentos (DoE). Finalmente, os layouts deverão ser verificados quanto aos problemas de compatibilidade relacionados aos portadores de funções auxiliares. Nos casos em que esteja sendo desenvolvido um produto complexo, é aconselhável criar subequipes para desenvolver algum subsistema específico do produto, a fim de reduzir o tempo de desenvolvimento. Assim, é possível organizar outras tarefas em paralelo.

FIGURE 11 – G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

Por exemplo, no caso do eixo-cubo, o motor elétrico é um componente de “compra”, enquanto o volante é um componente de “fabricação”. A razão para fabricar o volante internamente é projetá-lo de acordo com características específicas. O mesmo motivo é a caixa do came do cilindro, é um componente “fabricado”. A embreagem e a caixa de câmbio também são componentes adquiridos. Ao final, obtém-se um layout mais detalhado das partes mais importantes. Nesta etapa podem ser utilizados os softwares de desenho assistido por computador (CAD), assim é realizado o projeto e dimensionamento das peças e a montagem geral.

Desenvolva layouts detalhados e designs de formulários para o suporte de função auxiliar e complete o layout geral

FIGURE 12 – G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

A etapa 9 é uma parte interativa do processo de design. É aconselhável que, no início do desenvolvimento do produto, sejam considerados os checklists propostos anteriormente. Isso resume os vários títulos do processo de design (Figura 13).

FIGURE 13 – G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

Estes são particulares para cada solução adotada. Por exemplo, se uma solução tem uma grande interação com as pessoas, talvez deva ser considerada primeiro a segurança e a economia e depois a produção. Portanto, esta lista de verificação pode ser usada para identificar os pontos mais importantes das soluções.

Avaliação em função de critérios técnicos e económicos

FIGURE 14 – G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

A solução deve ser avaliada tanto do ponto de vista técnico como económico. Na verdade, para qualquer empresa é importante alcançar as soluções técnicas, mas sempre respeitando as restrições económicas. Para isso, a análise de custo-benefício e as diretrizes de VDI são exemplos de ferramentas utilizadas para esse processo.

Layout preliminar

FIGURE 15 – G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

Uma vez pronto o layout preliminar, inicia-se a validação da solução. Geralmente é composto por cálculos. Porém, nesta parte do processo, estes são feitos pelo departamento de cálculo, que utiliza softwares próprios para isso.

FIGURE 16 – G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

O layout preliminar é quase definitivo, pois ao final desta etapa o layout está otimizado e disponível no modelo totalmente digital 3D. Uma vez existente a planilha de cálculo para dimensionar as peças e a simulação dos protótipos digitais, é possível produzir uma avaliação bastante detalhada e concluir a proposta do produto. Todas essas etapas compõem a abordagem sistemática.

Referências

  1. K.T. Ulrich, S.D. Eppinger, Product Design and development, Mcgraw-Hill, 2019;
  2. G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.